Ракетные двигатели твердого топлива нашли широкое применение в стартовых ускорителях, в качестве двигательных установок ракет-носителей легкого и среднего класса, а также межорбитальных буксиров. Внедрение новых высокоэнергетических топлив и композиционных материалов обеспечило качественный скачок уровня важнейших характеристик таких двигателей. Однако возникли ранее не встречавшиеся проблемы, потребовавшие дальнейшего изучения процесса износа деталей соплового блока РДТТ под воздействием пространственных потоков продуктов сгорания, формирующихся при горении канальных зарядов.

Сформировавшиеся в камере продукты сгорания, действуя на нагретую поверхность сопла РДТТ, вызывают неравномерное по окружности эрозионное разрушение его поверхности. Для звездообразных и несимметричных зарядов было замечено, что в одних случаях максимальные уносы материала утопленного в тело заряда сопла происходят напротив лучей канальных зарядов, в других - между ними (эффект "переброса"). Несмотря на то, что "звезда" отформованного заряда существует очень короткий отрезок времени, по истечении которого заряд превращается в осесимметричный, эрозионный унос в несколько раз превышает расчетные значения.

Было высказано предположение, что расположение зон максимального уноса материала по окружности дозвуковой части утопленного сопла зависит от соотношения интенсивностей встречных струй, исходящих из центральной полости заряда и надсопловой области. Исследования основных газодинамических параметров и структуры течения в дозвуковой области сопла были проведены В.Н. Наумовым на специально созданной для этих целей газодинамической установке, работающей на холодном воздухе в условиях, моделирующих функционирование натурных изделий. Форму имитаторов твердотопливного заряда последовательно изменяли так, чтобы она соответствовала конфигурациям РДТТ. На установке воспроизводились проходные сечения потоков воздуха и различные комбинации расположения областей стекания и растекания на омываемых поверхностях. Структура пристеночного газового потока определялась на основе анализа отпечатков, которые имели вид рельефных узоров на саже-мазевых покрытиях стенок сопла.

Исследования позволили определить влияние величины диаметра центрального канала заряда и степени его диффузорности на характер структуры течения на кромке сопла. Как оказалось, для двух крайних значений диаметра канала зоны минимального и повышенного уносов возникали в разных местах, точнее, они менялись местами.

При небольшом диаметре центрального канала струя из него практически полностью направлялась в сопло. Что касается щелевого потока (из лучей "звезды" заряда), то одна его часть сразу попадала в сопло, другая же затекала в область, расположенную над соплом, и тормозилась на входе в сопло встречным потоком, идущим по лучам "звезды" в осевом направлении. Таким образом, истечение потока из надсоплового пространства наиболее интенсивно происходило между лучами "звезды".

При большом диаметре канала картина обтекания менялась. В этом случае часть струи центрального канала уходила в сопло, а другая, достаточно интенсивная часть, заходила в пространство над соплом. При обратном движении к соплу она тормозилась мощным встречным потоком, зарожденным между лучами. На поверхности входной кромки сопла по лучам образовывались подковообразные линии стекания встречных потоков. Таким образом, истечение потока в сопло в основном происходило по лучам "звезды" твердотопливного заряда, где взаимное торможение потоков было меньше.

При промежуточном значении диаметра канала наблюдались динамическое равновесие встречных потоков и равномерное течение. Критическим параметром являлось значение угла t = 90° между границей струи из центрального канала и касательной к поверхности входной кромки сопла. При t < 90° имеет место поточное падение между лучами, при t > 90° - по лучам.

Второй этап экспериментов предполагал использование малых твердотопливных зарядов, обеспечивающих продолжительность работы двигателя 0,5 с и создающих давление в камере сгорания до 6 МПа. Стенка сверхзвуковой части сопла в данном эксперименте выполнялась из фторопласта-4, что позволяло после испытаний получить на ее поверхности рельефные отпечатки, соответствующие структуре потока.

Предполагалось, что зародившиеся в начальный период существования "звезды" незначительные зоны эрозии на стенке сопла под действием ускоряющегося высокоэнтальпийного потока интенсивно развиваются внутрь (эффект самокопания), приводя к повышенному уносу массы. Для изучения этого процесса на стенке при помощи фрезы вырезались начальные углубления различной формы и размера.

Исследования показали, что глубина начальных зон, при которой происходит дальнейшее их развитие, должна составлять не менее половины толщины пограничного слоя. В противном случае сопло "не чувствует" искажения и ведет себя как гладкое. При достаточно больших начальных углублениях, тепломассообмен между материалом стенки и продуктами сгорания интенсифицируется, и эрозия резко увеличивается.

Анализ показал, что унос массы происходит в направлении вниз по потоку. При этом образуется пара вихрей, которые "сваливаются" в поперечном направлении с боковых сторон углубления, образуя винтовое течение с осью, параллельной контуру сопла. Поперечный разрез, сделанный по месту абляционной выработки сопла, показал наличие в этой области следов в виде двух окружностей. Вниз по потоку размеры окружностей уменьшаются. Интенсивность продольных вихрей снижается, а на концевой части образуется тупиковая зона. Размеры границ области разрушения зависят от состава продуктов сгорания, показателя адиабаты (K) и местного числа Маха (М), соответствующего началу процесса. Форма границ разгара может быть аппроксимирована эллипсом с полуосями a и b (безразмерными относительно величины фонового уноса):

a = 2M - 8,33K + 6,66,
b = exp1,5(M - 1).

Один из вихрей может образовывать тупиковую зону, покидая искаженную область и поступая в основной поток. Для другого наблюдалось внедрение внутрь материала на значительную глубину. След затухшего вихря - тончайший волосовидный канал с заостренной концевой частью.

Экспериментальные исследования выявили суть двух наблюдаемых трехмерных эффектов ("переброса" и самокопания) в соплах натурных РДТТ и позволили разработать комплекс программно-методических средств для расчетов процессов, происходящих при абляционном износе сопел. Все это дает возможность грамотно подходить к проектированию сопел РДТТ, увеличивать их ресурс и удельный импульс, одновременно уменьшая массу сопла.